Final Student Theses

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Systematische Wellenoptische Untersuchung zur Optimierung von Hybrid DOE-WGMR. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit wird das Phänomen der Wellenausbreitung in Mikroresonatoren, d.h. sog. Flüstergalerie-Moden (engl. Whispering Gallery Modes) untersucht. Whispering Gallery Modes sind Phänomene der Wellenausbreitung in kreisförmigen Strukturen, die in optischen Systemen über die totale interne Reflektion entlang der inneren Berandung des Resonators geführt werden und mit sich selbst konstruktiv interferieren. Für den Mechanismus einer Kopplung zu diesen Eigenfrequenzen über ein DOE (Diffraktives optisches Element), wird in dieser Arbeit der geometrische Einfluss auf die Wellenpropagation der Whispering Gallery Modes untersucht. Ausgangspunkt der Betrachtung ist ein zylinderförmiger Resonator, der in seiner geometrischen Konfiguration verändert wird. Ziel der Untersuchungen ist es, eine Konfiguration des Resonators zu finden, in der die Wellenpropagation die Whispering Gallery Modes weitestgehend aus dem Bereich entfernt, in dem später ein DOE für die Ein-Auskopplung gefertigt werden soll. Zu diesem Zweck wurden Bewertungsgrößen für das elektromagnetische Feld gewonnen, wie z.B.: der effektive Brechungsindex, das effektive Modevolumen, der Q-Faktor und die azimuthale Quantenzahl, die die Bewertung einer Resonator Konfiguration quantifizierbar machen. Über die Modellierung dieser Bewertungsgrößen durch Simulationsreihen in Comsol, wurde eine Resonatorkonfiguration bestimmt, die die Whispering Gallery Modes im Sinne einer Interaktionsminimierung berücksichtigt. Aus der sich ergebenden Konfiguration wurde der Einfluss einer Unterätzung, für den Stützsockel des Resonators bestimmt und mithilfe der Bewertungsgrößen analysiert. In einem abschließenden Schritt wurden im Sinne der einfachen Phasenkopplung an die ausgewerteten Whispering Gallery Modes Anforderungen für ein Phasentransmissionsgitter bestimmt.



Hybride Whispering Gallery Mode Resonatoren. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit wird das Phänomen der Wellenausbreitung in Mikroresonatoren, d.h. sog. Flüstergalerie-Moden (engl. Whispering Gallery Modes) untersucht. Whispering Gallery Modes sind Phänomene der Wellenausbreitung in kreisförmigen Strukturen, die in optischen Systemen über die totale interne Reflektion entlang der inneren Berandung des Resonators geführt werden und mit sich selbst konstruktiv interferieren. Für den Mechanismus einer Kopplung zu diesen Eigenfrequenzen über ein DOE (Diffraktives optisches Element), wird in dieser Arbeit der geometrische Einfluss auf die Wellenpropagation der Whispering Gallery Modes untersucht. Ausgangspunkt der Betrachtung ist ein zylinderförmiger Resonator, der in seiner geometrischen Konfiguration verändert wird. Ziel der Untersuchungen ist es, eine Konfiguration des Resonators zu finden, in der die Wellenpropagation die Whispering Gallery Modes weitestgehend aus dem Bereich entfernt, in dem später ein DOE für die Ein-Auskopplung gefertigt werden soll. Zu diesem Zweck wurden Bewertungsgrößen für das elektromagnetische Feld gewonnen, wie z.B.: der effektive Brechungsindex, das effektive Modevolumen, der Q-Faktor und die azimuthale Quantenzahl, die die Bewertung einer Resonator Konfiguration quantifizierbar machen. Über die Modellierung dieser Bewertungsgrößen durch Simulationsreihen in Comsol, wurde eine Resonatorkonfiguration bestimmt, die die Whispering Gallery Modes im Sinne einer Interaktionsminimierung berücksichtigt. Aus der sich ergebenden Konfiguration wurde der Einfluss einer Unterätzung, für den Stützsockel des Resonators bestimmt und mithilfe der Bewertungsgrößen analysiert. In einem abschließenden Schritt wurden im Sinne der einfachen Phasenkopplung an die ausgewerteten Whispering Gallery Modes Anforderungen für ein Phasentransmissionsgitter bestimmt.



Zhang, Qi;
Berechnung und Charakterisierung von opt. Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit werden Ansätze eines zerstörungsfreien Verfahrens zur Charakterisierung von binären Beugungsgittern mit hohem Aspektverhältnis vorgestellt. Die geometrische Struktur des Gitters wird aus Messungen der Beugungseffizienz des Gitters und dem Vergleich mit der mithilfe von rigorosen Methoden simulierten Beugungseffizienz abgeleitet. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei der erste Teil die Grundlagen für das Design und die Analyse von binären Phasengittern behandelt; dabei werden die verschiedenen Einflüsse auf die optische Effizienz von Gittern vorgestellt: Ätztiefe, Periode, Tastverhältnis, Flankenwinkel. Die Einflüsse werden mithilfe der skalaren und rigorosen Beugungstheorie analysiert, wobei die RCWA (Rigorous coupled-wave analysis) verwendet wird. Mehrere Gitter mit unterschiedlichen Parametern werden designt und hergestellt. Der zweite Teil befasst sich mit Charakterisierung der Gitter. Die Messungen der Beugungseffizienz werden an einem dafür entwickelten Messaufbau durchgeführt. Ausgehend vom ursprünglichen Design wird mit der Software MC Grating ein Modell erstellt und die Beugungseffizienzen simuliert. Diese werden mit der gemessenen Beugungseffizienz verglichen und die oben genannten Parameter, wie z. B. die Ätztiefe usw. so angepasst, dass die simulierte Beugungseffizienz möglichst nahe an der gemessenen Beugungseffizienz liegt. Die Vorgehensweise bei der Anpassung der Modelle, um sich den Messdaten annähern zu können, wird vorgestellt. Auch die Gitter untereinander werden in ihrer optischen Funktion bei unterschiedlichem Aspektverhältnis und Material miteinander verglichen. In den Simulationen wurde festgestellt, dass verschiedene Gitter mit unterschiedlicher Reihenfolge Variation der Parameter simuliert werden müssen, um sich dem Messergebnis anzunähern. Die für diese Arbeit gefertigten Gitter mit großen Ätztiefen respektive Aspektverhältnissen haben erhebliche Fertigungsfehler und erfordern den Einsatz zusätzlicher Messinstrumente wie Weißlichtinterferometrie, REM und eintaktiles Profilometer (Dektak) in der Simulation, um das Modell der Geometrie erst mal grob annähern zu können, bevor die vorgestellte Parametervariation erfolgt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass auch ein Gitter mit einem großen Aspektverhältnis mit Hilfe zusätzlicher Informationen über weitere Messinstrumente gut simuliert werden kann.



Reetz, Andreas;
Rigorose Beugungssimulation- und Design von subwellenlängenstrukturierten optischen Elementen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Aus anisotrop angeordneten Subwellenlängenstrukturen kann ein doppelbrechendes effektives Medium erzeugt werden. Phasengitter aus einem solchen effektiven Medium ermöglichen eine starke Polarisationsabhängigkeit der Beugungseffizienz. Mit rigorosen Berechnungsmethoden (rigorous coupled-wave analysis - RCWA) wird am Beispiel eines diffraktiven subwellenlängenstrukturierten Polarisationsstrahlteilers [Wüster et. al. Nano-imprinted subwavelength gratings as polarizing beamsplitters. J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ. 17, 4 (2021)] der Einfluss von Geometrieabweichungen auf die Beugungseffizienz untersucht. Die Variation von Parametern im Design von subwellenlängenstrukturierten Phasengittern wird untersucht und mit einer Messung der Beugungseffizienz verglichen. Die Parameter Flankenwinkel, Strukturhöhe, Periode, Material und Füllfaktor werden betrachtet. Fresnelreflexion an Vorder- und Rückseite des Elements werden mit einbezogen. Das Design des diffraktiven Polarisationsstrahlteilers wird für Licht im sichtbaren Spektralbereich adaptiert. Eine Strategie zum Design von subwellenlängenstrukturierten optischen Elementen wird formuliert. Dieser Ansatz wird am Design von über den Polarisationswinkel schaltbaren Blaze- und Dammann-Gittern demonstriert. Es werden Blazegitter mit hoher Effizienz in der 1. Beugungsordnung für TM- und in der 2. Beugungsordnung für TE-polarisertes Licht entwickelt. Dieser Ansatz kann in der Richtung einer diffraktive Linse mit einer doppelt so großen Brennweite für TM- wie für TE-polarisiertes Licht weiterentwickelt werden. Außerdem werden Dammann-Gitter entworfen, die für TM-Polarisation 3 oder 7 Beugungsordnungen mit gleich großer Effizienz haben, während für TE-Polarisation nur die 0. Beugungsordnung effizient ist. Außerdem wird ein Design für ein Dammann-Gitter mit 3 Beugungsordnungen gleicher Beugungsffizienz für TE- und 7 Beugungsordnungen gleicher Beugungsffizienz für TM-Polarisation entwickelt. Alle diffraktiven optischen Elemente sind für die Fertigung der Subwellenlängenstruktur mit Nanoimprintlithographie konzipiert.



Rüngeling, Sören;
Messung von Verlaufsfiltern. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung verschiedener Messmethoden, um steile Verlaufsfilter mit vorhandenen Spektralphotometern zu messen. Dabei sollen Messgrößen wie Kantensteilheit und OD-Level unter photometrischer Genauigkeit bestimmt werden. Zudem soll die Abhängigkeit der Kantensteilheit von Messfleckgröße, numerischer Apertur der Beleuchtung sowie spektraler Auflösung abgeschätzt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden Messprinzipien erstellt, die darauf zielen, die Ausdehnung des Messflecks zu verkleinern, um die Probleme bei der spektralen Qualitätskontrolle zu lösen, die durch die nicht konstante Schichtdicke der Verlaufsfilter hervorgerufen werden. Zu den beiden Prinzipien wurden jeweils zwei Messverfahren entwickelt. Im Prinzip der Abschattung wurden in einem Spektralphotometer mit den Verfahren des Blenden-Multiarrays und einer einzelnen festen Blende Messungen durchgeführt und evaluiert. In einem Weißlichtlaserspektralphotometer fanden die Tests zum Prinzip der Brechung statt, bei denen afokale Systeme mit sphärischen und zylindrischen Optiken ausprobiert wurden. Zudem wurde zur geometrischen Bestimmung der spektralen Eigenschaften der Verlaufsfilter ein Messkameraaufbau entwickelt und getestet. Eine klare Empfehlung für die Passmessungen kann in Bezug auf die ermittelten Messgrößen für das Verfahren der Einzelblende gegeben werden. Hingegen ermöglichte das afokale System mit sphärischen Linsen im Weißlichtlaserspektralphotometer Blockungsmessungen bis Level OD8.



Analyse und Design verstimmbarer Linsengruppen für fotografische Zoomobjektive. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Ziel der Arbeit ist es, die Faktoren zu analysieren, die Aberrationen beeinflussen, und eine Anleitung für das zukünftige Design von verstimmbaren Linsengruppen für fotografische Zoomsysteme zu geben. Anders als das klassische Zoomsystem, das auf der Bewegung der Linsengruppen beruht, um die Brennweite zu ändern, nutzt die in dieser Arbeit untersuchte verstimmbare Linsengruppe die Änderung der Krümmung der Membran, um die Brennweite einzustellen. Änderungen der Membrankrümmung können jedoch zu großen Änderungen stark formabhängiger Aberrationen wie sphärische Aberration und Koma führen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher die systematische Untersuchung der Aberrationen von Linsengruppen mit Membranlinsen. Zunächst werden mehrere in Handykameras verwendete Zoomsysteme, ihre Entstehungsgeschichte und Zoommethoden vorgestellt. Dann werden einige Grundlagen eingeführt, diese beinhalten die verschiedenen Arten von Aberrationen dritter Ordnung. Danach wird ein Zoomsystem mit Membranlinsen aus einem Patent nachgebaut und analysiert. Während der Analyse werden verschiedene Fragen untersucht, z.B. welcher Teil des Systems welche Aberration beeinflusst und welche Auswirkung die beiden Membranlinsengruppen im System jeweils auf die Aberration haben. Im nächsten Schritt werden die Faktoren, die Aberrationen in einer einzelnen Membranlinsengruppe beeinflussen, wie z.B. Objektabstand, Linsenorientierung und Brechungsindex analysiert. In Kombination mit der obigen Analyse von Aberrationen wird gemäß grundlegenden Anforderungen aus einem weiteren optischen System aus der Literatur eine Linsengruppe entworfen, mit dem Ziel die Aberrationen so klein wie möglich zu machen. Abschließend wird die Aberrationsanalyse der abstimmbaren Membranlinsengruppe zusammengefasst, die zum Entwerfen eines Kameraobjektivs für ein Smartphone verwendet werden kann.



Klebe, Isabell;
Concept development, implementation, and experimental characterization of a miniaturized instrument-based distance sensor for ophthalmology. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Intelligente chirurgische Instrumente unterstützen Chirurgen bei medizinischen Eingriffen und ermöglichen eine präzisere Ausführung. Besonders in der vitreoretinalen Chirurgie ist die präzise Führung und Positionierung der Instrumente entscheidend. In dieser Arbeit wird eine miniaturisierte Abstandssensorik für den Einsatz in der Netzhautchirurgie untersucht, insbesondere mit Hinblick auf eine Anwendung für Membran-Peeling zur Behandlung von epiretinaler Gliose. Obwohl das Krankheitsbild der epiretinalen Gliose bekannt ist, wird für den Peeling-Vorgang derzeit noch die Schattenbildmethode angewendet. Ein intelligentes Instrument zur Entfernungsmessung wird die Tiefenwahrnehmung verbessern und Chirurgen beim präzisen Greifen während des Eingriffs unterstützen. Nach einem Überblick über den Stand der Technik bei miniaturisierten Entfernungsmessgeräten und der Definition der Anforderungen hinsichtlich der besonderen Bedingungen der vitreoretinalen Chirurgie wird ein erstes Konzept für eine auf optischer Kohärenztomographie (OCT) basierende Fasersonde zur Abstandserfassung vorgestellt. OCT ist ein Interferzverfahren, mit dem mikrometergenaue, ein-, zwei- und dreidimensionale Daten aus optischen Streumedien aufgenommen werden können [8]. In der Medizin kann OCT entweder zur direkten Bildgebung von Querschnitten des Auges (OCT-B-Scans) genutzt werden oder, wie in dieser Arbeit, als Methode zur Gewinnung von Signal-über-Tiefe-Informationen (OCT-AScan). Um die OCT-Technologie für die Entfernungsbestimmung einzusetzen, wird ein neues Hochgeschwindigkeits-Swept-Source-OCT-Gerät auf Basis eines bestehenden Prototyps bei der Carl Zeiss Meditec AG, Oberkochen, gebaut. Außerdem wird ein chromatisches konfokales Entfernungsmesssystem der TU Ilmenau hinsichtlich dessen Anwendbarkeit in der Ophthalmologie evaluiert, da dies eine kostengünstige Alternative zur OCT-Technologie bieten kann. Diese Arbeit gibt einen ersten Überblick über die Eignung chromatisch konfokaler und OCTbasierter Entfernungsmessung. In diesem Rahmen wurde ein faseroptisches System zur Abschätzung des Abstandes von einem Messkopf und dem benachbarten Gewebe aufgebaut und beschrieben. Im Folgenden werden beide Abstandserfassungstechnologien experimentell charakterisiert, wobei ein Aufbau eines Nasslabor mit Schweineaugen erfolgt. Die Ergebnisse der experimentellen Charakterisierung zeigen die technische Realisierbarkeit der Abstandsmessung mittels beider Verfahren. Durch einen Vergleich wird gezeigt, dass das OCT-basierte System im Rahmen der derzeitigen Systemkonfiguration empfindlicher ist hinsichtlich der gestreuten Rückkopplungen von der Netzhaut. Abschließend werden Schritte zur weiteren Verbesserung beider Systeme vorgestellt und diskutiert.



Schnettker, Jonas;
Automated correction of dose distribution in exposure layouts for scanning laser lithography. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Direct Laser Writing ist ein maskenloses Verfahren der Photolithografie zur Erzeugung von Binär- und Graustufenstrukturen für die moderne Mikrosystemtechnik in Photolack. Ein UV Laser wird in die Lackschicht fokussiert und löst dort eine photochemische Reaktion aus. Diese erzeugt lokale Löslichkeitsunterschiede. Im folgenden isotropen Entwicklungsschritt werden die löslichen Teile des Lacks entfernt, während die unlöslichen Teile auf dem Substrat verbleiben. Die Intensität im Fokuspunkt des Laser mit endlicher Ausdehnung ist jedoch nicht konstant, sondern folgt dem Airy Beugungsprofil. Außerdem überlappen sich benachbarte Laserspots und addieren sich zur gewünschten Belichtungsdosis. Dies wird jedoch in den Belichtungslayouts nicht berücksichtigt, was vor allem an Kanten, Ecken und bei kleinen Strukturen im Verhältnis zur Spotgröße zu Problemen führt. In dieser Arbeit wird die Überlagerung benachbarter Belichtungspunkte als Faltung eines Airy Spots mit dem Belichtungslayout simuliert. In der Korrektur wird zuerst das Nashold-Projektionsverfahren zur Bildsynthese als Vorbehandlung des Layouts verwendet. Das gewünschte Belichtungsprofil wird dadurch besser mit dem Intensitätsprofil des Spots darstellbar. Anschließend wird mit der inversen Faltungsoperation nach Richardson und Lucy ein Layout generiert, welches das gewünschte Belichtungsprofil erzeugt. Die Korrektur wird in einem selbstgeschriebenen Programm implementiert. Unter Berücksichtigung der optischen Parameter wird ein Modellaserspot aus einer Intensitätsmessung eines fokussierten Lasers extrahiert. Zusätzlich wird eine Logistikfunktion als Kontrastkurvenmodell mittels Graustufenlithografie an das Entwicklungsverhalten des Lackes angepasst. In der Belichtungskorrektur wird zunächst aus einem angestrebten Lackprofil mit der inversen Kontrastkurve ein Belichtungsprofil abgeleitet. An diesem wird die Layoutoptimierung durchgeführt, das Ergebnis gespeichert, und schließlich ein Lithografieprozess simuliert. Trotz auftretender Nebeneffekte im Belichtungsschritt zeigt der Vergleich der im Programm realisierten Lithografiesimulation mit realen Prozessen eine gute Übereinstimmung. Die Belichtungsoptimierung bewirkt deutliche Verbesserungen bei der Entwicklung kleiner Strukturen, jedoch keine Reduktion der Eckenverrundung. Auch Graustufenstrukturen weisen nach der Korrektur eine höhere Designtreue auf.



Untersuchung integrierter optischer Oberflächenmessverfahren für die SLM-basierte Lithographie. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischer Oberflächenmessverfahren, die in einem lithografischen Belichtungsaufbau integriert werden können. Dabei erfolgt die Strukturierung des Substrats maskenlos, mithilfe eines spatialen Lichtmodulators (SLM). Die Erfassung des Oberflächenprofils ist erforderlich, um das computergenerierte Hologramm der zu strukturierenden 3D-Oberfläche anpassen zu können. Im Rahmen der Arbeit werden ausgewählte Messverfahren untersucht, die die oben erwähnte Aufgabe mit entsprechenden Anforderungen erfüllen können. Dazu werden die wesentlichsten Anforderungen an das Messverfahren spezifiziert, um die am besten geeignete Methode auswählen zu können. Im Weiteren wird das für die ausgewählte Messmethode entwickelte Computerprogramm beschrieben, welches in Python implementiert wurde. Die wichtigsten Eigenschaften werden anhand einzelner Parameter wie: Belichtungszeit, Messgeschwindigkeit, Nullpunktfehler usw. ausgewertet. Außerdem werden die Vor- und Nachteile der Methode gegenübergestellt, um bewerten zu können, ob die ausgewählte Methode die festgelegten Anforderungen erfüllt.



Scheller, Nicolas;
UV-basierte Nanoimprint-Lithografie (UV-NIL) mit einem Doppelschicht Lacksystem für Lift-off-Prozesse. - Ilmenau. - 138 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Arbeit erfolgt die Etablierung eines soft UV-basierten Nanoimprint-Lithografie Prozesses (soft UV-NIL) zur Erzeugung vollflächiger Nanostrukturen auf 4-Zoll Waferlevel. Dabei werden nanostrukturierte Ein- sowie Zweilagenlacksysteme zur Erzeugung hoher Aspektverhältnisse in Silizium entwickelt. Zur Erzeugung der Nanostrukturen wird ein Elastomerstempel aus PDMS (Sylgard 184) von einem nanostrukturierten Mastersubstrat abgeformt. Unter Einsatz des NIL-Fotolacks mr-NIL 210 200 nm werden durch den soft UV-NIL Prozess Zylinderstrukturen von 300 nm Durchmesser und 370 nm Höhe erzeugt. Durch einen Trockenätzschritt mit einem Sauerstoffplasma (Descumming) wird die störende Restlackschicht (residual layer) zwischen den Zylindern entfernt. Mit einem Cryoätzprozess werden die Lackstrukturen in das Substrat übertragen. Für das Einschichtlacksystem wird ein Aspektverhältnis von 4:1 bei einer Selektivität des Fotolacks von 5,1 ermittelt. Es wird eine Ätztiefe von 1,4 [my]m bei einer Strukturbreite von 340 [my]m erreicht. Aufbauend auf dem etablierten soft UV-NIL Prozess wird ein Zweischichtlacksystem mit einer Lift-off Prozesskette entwickelt. Das System besteht aus dem Grundpolymer LOR1A und dem darüber liegenden NIL-Lack mr-NIL 210 200 nm, welcher mit der soft UV-NIL nanostrukturiert wird. Durch einen nasschemischen Entwicklungsschritt wird die Grundpolymerschicht isotrop geätzt, wodurch unter den NIL-Zylindern eine isotrope Hinterschneidung entsteht. Es wurde ein TMAH-haltiger Entwickler zum Einsatz gebracht. Eine Metallisierung von 40 nm-Aluminium mit anschließendem Lift-off erzeugt eine nanostrukturierte Metallmaske. Durch die hohe Selektivität gegenüber dem Plasmaätzprozess werden Aspektverhältnisse von bis zu 12,2 durch Cryoätzen erreicht. Die Ätztiefe beträgt 5,2 m bei einer Strukturbreite von 430 nm. Des Weiteren wird ein Zweilagenlacksystem mit dem Grundpolymer UL1 und dem UV-NIL Lack mr-NIL 213 200 nm mit der soft UV-NIL etabliert. Nach der Entfernung der Restlackschicht soll eine trockenchemische Unterätzung des NIL-Lacks für einen erfolgreichen Lift-off erfolgen, sodass der nasschemische Entwicklungsschritt ersetzt und der Gesamtprozess durch eine Effizienzsteigerung profitabler wird. Durch Erprobung dreier verschiedener Ätzrezepte konnte keine isotrope Ätzung der UL1-Schicht mit einem Sauerstoffplasma erzielt werden.